可調直流穩壓電源電路的設計與實現

廣東理工學院電氣工程系 王天鳳 梁子衛

可調直流穩壓電源電路的設計與實現

廣東理工學院電氣工程系 王天鳳 梁子衛

直流電源作為電子技術教學實驗必不可少的設備，本文設計了一種正負電壓為1.25～17V連續可調的直流穩壓電源電路，其中運用變壓器降壓，二極管整流，電容濾波，集成穩壓器穩壓，最終輸出相對穩定的、連續可調的正負直流電壓。

整流；濾波；穩壓

1. 引言

在電子技術教學實驗中，直流電源的使用率很高，然而廠家生產的標準產品成本較高，本電路設計的可調直流穩壓電源實用性強，成本低，還可以作為教具教學使用，本文將詳細介紹電路設計中各個環節的工作原理以及元器件的參數選擇。

2. 電路設計原理圖

圖1 可調直流穩壓電源電路

3. 設計過程

3.1 降壓電路

若要得到最大輸出為正負17V的直流電壓，根據公式負載電壓VL與交流電壓V2的關系VL=(1.1～1.2)V2，可知交流電壓應為15V，可用變壓器把220V的交流電降壓至所需電壓，根據電路要求，變壓器應選擇交流220V/15V具有中間抽頭的三端輸出變壓器。

3.2 整流電路

整流電路一般有三種形式，分別是半波整流、全波整流、倍壓整流，其中半波整流只得到半個周期的脈動直流電，電源利用率低下而極少采用，倍壓整流的輸出電壓要高于電源電壓，不符合本設計電路的要求，全波整流能得到全波脈動直流電，對電源的有效利用率大大提高，因此最適宜采用全波整流。如電路原理圖1所示，當交流電壓變化到正半周時，電壓流經的路徑有兩條，分別是：V2a→D1→V1a→V地，V地→V1b→D4→V2b，V地作為零電位參考點，由第一條路徑可得出V1a→V地，V1a為正電壓，由第二條可得出V地→V1b，V1b為負電壓，當交流電壓變化到負半周時，電壓流經的路徑也有兩條，分別是：V2b→D2→V1a→V地，V地→V1b→D3→V2a，由此可見，第一條從V1a→V地，V1a仍為正電壓，第二條從V地→V1b，V1b仍為負電壓。這正是充分利用了交流電壓的正負半周整流得到正負兩種直流電壓。整流后的電壓與電源電壓的關系為VO=0.9V2。

對于整流二極管的選擇應考慮反向耐壓至少大于次級電源電壓的峰值21.2V，同時考慮到電網電壓的波動，因此整流二極管的反向耐壓值的選擇應大于電源電壓的兩倍以上，型號為IN4001的整流二極管，最大反向峰值電壓為50V,平均整流電流為1A，最大峰值浪涌電流為30A，可滿足電路的設計要求，故選用IN4001作為整流二極管。

3.3 濾波電路

經過整流電路之后，交流電變換成脈動直流電，頻率為100HZ，其中包括恒定分量和諧波分量，這些諧波分量總稱為紋波，為使波形更平滑穩定，可用濾波電路實現。濾波電路的形式一般分為電容輸入式和電感輸入式，前一種多用于小功率電源中，而后一種多用于較大功率電源中，本設計電路的使用范圍主要在實驗室的各種基礎性電子實驗中，通常為小功率電路，因此濾波電路選擇電容式濾波。C1、C2、C5、C6、C9、C10為濾波電解電容。設電容兩端的初始電壓為零，當交流電為正半周時，通過D1、D4向C1充電，當為負半周時，通過D2、D3向C1充電。根據公式，電容的充電時間常數為τC=RintC，其中Rint包括變壓器二級繞組的直流電阻和整流二極管的正向電阻，一般為十幾至幾十歐姆，阻值很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值。當電路空載時，電容沒有放電回路，輸出電壓保持在VO=V2。當接入負載時，電容的放電時間常數為τd=RLC,其中RL為負載，為得到平滑的負載電壓，一般取τd≥（3～5），T為交流電壓的周期。該電路選用470μF的電解電容。C3、C4、C7、C8為小容量濾波電容，也叫退耦電容，主要作用是消除高頻干擾，給高頻信號提供出路流向接地端，由電容的容抗XC=可知，頻率越高，阻抗應該越小，但電容中有感抗成分影響，達到某個頻率后阻抗反而變高。0.01μF瓷片電容在33MHZ以下都是電容特性，因此去耦電容選擇0.01μF的瓷片電容。

3.4 穩壓電路

三端穩壓器型號多種多樣，一般由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。本電路設計目的是輸出可調的直流電壓，因此選用LM317作為正輸出的穩壓可調，LM337作為負輸出的穩壓可調。經過濾波之后的電壓接在穩壓器的Vin端，ADJ端接可調電位器以調整輸出電壓的幅值，Vout端的正輸出電壓為：

負輸出電壓為：

其中VREF為三端穩壓器的內部基準電壓，約為1.25V。流過RP1、RP2的電流是LM317和LM337的Adj端電流與流過R2的電流之和，為削弱Adj端電流（最大電流值達到100μA）對輸出電壓的影響，流過R2的電流應遠大于100μA，一般取5mA，因此R2=R3=1.25V/5mA=250Ω,根據標稱值取240Ω，D5、D6、D7、D8選取型號為IN4001的二極管作為穩壓器保護，當電路斷電時，濾波電容經過二極管放電，避免流入三端穩壓器造成輸出端電位高于輸入端電位從而導致穩壓器的毀壞。

3.5 電路測試

接入交流電，整流、濾波波形如圖2、圖3所示。

圖2 整流波形

圖3 濾波波形

4. 結語

通過電路樣板的制作與焊接，測試可得到可調的正負電壓1.25～17V，該直流電壓波形穩定平滑，可以作為各種基礎性電子技術教學實驗的備用直流電源。該電壓能夠滿足基本的電子實驗要求，并且該電路的設計與實現，對學生掌握模擬電子技術中的電源電路這部分知識內容具有實際的教學意義。

[1]康華光.《電子技術基礎》模擬部分(第五版)[M].

[2]謝自美.電子線路設計、實驗、測試[M].武漢:華中科大出版社,2000.

[3]中國電源協會.現代電源技術[M].北京:科學出版社,1997.

[4]陸坤.電子設計技術[M].成都L電子科技大學出版社,1997.

王天鳳（1988—），女，大學本科，助教，研究方向：應用電子技術。

梁子衛（1987—），男，大學本科，助教，研究方向：電力電子技術。